當(dāng)今幾乎每個(gè)數(shù)字設(shè)備背后的邏輯電路都依賴于兩種晶體管的配對(duì)-NMOS和PMOS。他們擁有相同的電壓信號(hào)，如果我們將其中一個(gè)打開，同時(shí)將另一個(gè)關(guān)閉，然后把它們放在一起，那就意味著電流僅在發(fā)生一點(diǎn)變化時(shí)才應(yīng)流動(dòng)，從而大大降低了功耗。這些對(duì)已經(jīng)坐在對(duì)方旁邊幾十年了，但是如果電路要繼續(xù)縮小，它們將不得不更加靠近。
本周，在IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議（IEDM）上，英特爾展示了一種不同的方式：將這些對(duì)堆疊在一起，使彼此重疊。該方案有效地將簡(jiǎn)單CMOS電路的占位面積減少了一半，這意味著未來IC的晶體管密度可能翻倍。
該方案首先使用被廣泛認(rèn)可的下一代晶體管結(jié)構(gòu)，根據(jù)涉及的人而不同，我們可以將其稱為納米片，納米帶，納米線或全能門器件。不同于以往晶體管是由垂直的硅鰭片構(gòu)成，現(xiàn)在的納米片的溝道區(qū)域而是由多層，水平，納米薄的片層堆疊而成。
圖片照片：英特爾 CMOS器件已經(jīng)從平面發(fā)展到FinFET。他們將很快轉(zhuǎn)向納米片。進(jìn)一步縮小電路將需要堆疊NMOS和PMOS器件。
英特爾工程師使用這些設(shè)備來構(gòu)建最簡(jiǎn)單的CMOS邏輯電路，即inverter。它需要兩個(gè)晶體管，兩個(gè)電源連接，一個(gè)輸入互連和一個(gè)輸出。即使當(dāng)晶體管像今天那樣并排放置時(shí)，布置也非常緊湊。但是通過堆疊晶體管并調(diào)整互連，inverter的面積減少了一半。
英特爾用于構(gòu)建堆疊式納米片的方法被稱為自對(duì)準(zhǔn)（self-aligned ）工藝，因?yàn)樗梢栽趯?shí)質(zhì)上相同的步驟中構(gòu)建兩種設(shè)備。這很重要，因?yàn)樘砑拥诙剑ɡ?，將它們?gòu)建在單獨(dú)的硅片上，然后將硅片粘合在一起）可能導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)，從而破壞任何潛在的電路。
從本質(zhì)上講，該工藝是對(duì)制造納米片晶體管的步驟的修改。它從硅和硅鍺的重復(fù)層開始。然后將其雕刻成一個(gè)高個(gè)的窄鰭，然后蝕刻掉硅鍺，留下一組懸浮的硅納米片。通常，所有的納米片都會(huì)形成一個(gè)晶體管。但是在這里，為了形成一個(gè)NMOS器件，頂部的兩個(gè)納米片連接到了摻磷的硅上，而底部的兩個(gè)納米片則連接到了摻硼的硅鍺上，以生產(chǎn)PMOS。
英特爾高級(jí)研究員兼組件研究總監(jiān)羅伯特·喬（Robert Chau）說，完整的“集成流程”當(dāng)然要復(fù)雜得多，但是英特爾研究人員一直在努力使其盡可能簡(jiǎn)單。集成流程不能太復(fù)雜，因?yàn)檫@將影響到制造具有堆疊CMOS的芯片的實(shí)用性。這是一個(gè)非常實(shí)用的流程，并取得了可觀的結(jié)果?！?/p>
照片：英特爾的inverter由兩個(gè)彼此疊置的晶體管組成，它們的某些部分和互連點(diǎn)是公用的。
他說：”一旦掌握了這一點(diǎn)，下一步就是追求性能?！?這可能將涉及改進(jìn)PMOS器件，目前它們?cè)隍?qū)動(dòng)電流的能力方面落后于NMOS。Chau說，該問題的答案可能是在晶體管溝道中引入了”應(yīng)變“。想法是使硅晶體的晶格變形，以使電荷載流子（在這種情況下為空穴）更快地通過。英特爾早在2002年就將應(yīng)變引入了其設(shè)備。在IEDM的另一項(xiàng)研究中，英特爾展示了一種在納米帶晶體管中同時(shí)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變的方法。
其他研究組織也正在尋求堆疊式納米片的設(shè)計(jì)，盡管有時(shí)將它們稱為互補(bǔ)FET或CFET。比利時(shí)研究組織Imec率先提出了CFET概念，并于去年6月在IEEE VLSI研討會(huì)上報(bào)告了構(gòu)建它們的過程。但是，Imec組件并非完全由納米片晶體管制成。相反，底層由FinFET組成，頂層是單個(gè)納米片。臺(tái)灣的研究人員報(bào)道了一種CFET結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，該結(jié)構(gòu)的每個(gè)PMOS和NMOS都有一個(gè)納米片。相比之下，英特爾的電路在三納米PMOS的上面有一個(gè)兩納米NMOS，這與需要堆疊時(shí)的設(shè)備看起來更像。